Tesis (Ingeniería del Diseño)

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Feature Engineering for Data-Based Predictive Maintenance
(2025-05-28) Campos Olivares, Daniel; Carrasco Muñoz, Alejandro; Luque Sendra, Amalia; Tecnología Electrónica; Ingeniería del Diseño
This thesis explores a systematic methodology for enhancing Predictive Maintenance (PdM) through careful feature engineering and selection, focusing on a real-world bottling system where sensor data from key components (notably bearings and springs) serve as the foundation for fault detection and classification. The work is motivated by the growing industry need to move beyond reactive or condition-based approaches, toward proactive maintenance regimes that rely on detailed data acquisition and machine learning (ML) algorithms to detect and predict machinery failures in advance. Early chapters introduce the challenges of PdM: acquiring reliable, high-frequency sensor data, ensuring data quality, and dealing with class imbalances—particularly because real-life datasets often contain many more “healthy” recordings than fault-state samples. The author highlights the bottling system’s mechanical structure, its sensors, and the manual fault injection experiments, which yield vibration signals at various operating speeds. By segmenting these signals into windows, it becomes possible to increase the overall sample count for each health state, though careful selection of window length is needed to strike a balance between enough data per sample and over-segmentation. Subsequent chapters delve into feature engineering. Three main approaches emerge: (1) specialized attributes, such as kurtosis and RMS, which target known vibration signatures of mechanical defects; (2) a broader set of “basic” time- and frequency-domain descriptors (for instance, mean amplitude, signal energy, or spectral entropy); and (3) dimension-reduced projections, typically via Principal Component Analysis (PCA), to handle high-dimensional feature vectors and maintain interpretability. Comparisons across approaches illustrate how computational costs and classification accuracy intersect: specialized features can yield rapid, high-accuracy results if the domain knowledge is sufficient, while large sets of basic features or direct raw data might require more computational power and risk overfitting. The author then investigates various selection techniques—wrappers, embedded approaches (such as Lasso or impurity-based measures in Random Forest), and filtering methods based on correlation, mutual information, ANOVA, or divergence metrics. These selection methods are compared systematically on both real and synthetic datasets, revealing how each can prune redundant or non-informative features while retaining enough discriminative power to distinguish between normal and faulty states. Finally, the conclusions emphasize the delicate balance between accuracy, processing time, and domain knowledge in designing feature-engineering pipelines for PdM. The work demonstrates that combining specialized domain insights with systematic feature-selection algorithms can improve classification outcomes, reduce overfitting, and expedite model training. This offers a robust roadmap for industrial environments aiming to implement or refine their predictive maintenance strategies, showing how machine learning and targeted data preprocessing deliver tangible gains in reliability and operational efficiency.
Contribución al almacenamiento de energía termoquímica basado en combustibles renovables
(2025-04-23) Rodríguez Pastor, Diego Antonio; Chacartegui, Ricardo; Soltero Sánchez, Víctor Manuel; Ingeniería Energética; Ingeniería del Diseño
Eventos de gran relevancia de índole ambiental, social y geopolítica han generado gran inestabilidad en el sector energético. La búsqueda de combustibles limpios y sintetizables a partir de materias primas abundantes y económicas, es vital en regiones dependientes de combustibles convencionales. En este contexto, diversificar la matriz energética reduce la vulnerabilidad en el suministro. La Unión Europea, a través del plan REPowerEU, tiene como objetivo la producción de 10 millones de toneladas de combustible de origen no biológico en 2030. El metanol y el amoniaco verde destacan por una logística y almacenamiento más atractivo que el hidrógeno renovable en su forma gaseosa. La dificultad de la electrificación del sector industrial hacia su descarbonización se aborda en la tesis a partir de la captura y almacenamiento del CO2 que generan. A través de su hidrogenación con hidrógeno verde solar, se estima que existe un potencial de producción rentable de e-metanol de 5 millones de toneladas anuales en Europa, con una inversión de 700 mil millones de euros y TIR30 superiores al 10%, reduciendo 7,7 millones de toneladas de CO2 al año; las predicciones obtenidas alcanzarían los objetivos del plan REPowerEU, pero obligarían a la modificación del parque industrial para su operación con el alcohol. En consecuencia, se estudian nuevas configuraciones de conversión de metanol hacia combustibles como el gas natural y el DME, combinando pares de reacciones que permitan el almacenamiento termoquímico de energía. Esta tesis presenta novedosas integraciones termoquímicas, de gran flexibilidad y adaptables en un amplio rango de aplicaciones. Para la producción de potencia en turbinas de gas o para la industria química, se obtiene gas natural sintético mediante la descomposición térmica de metanol a syngas con energía solar concentrada, y la metanación de syngas en la descarga. El metanol líquido, con mayor densidad energética volumétrica que otros gases, reduce los costes de transporte y almacenamiento, alcanzando valores competitivos de 135 €/MWh. En función de la materia prima, se obtienen costes de gas natural sintético entre 124-254 €/MWh para biometanol y 162-329 €/MWh para e-metanol. El concepto se extiende a un ciclo de almacenamiento cerrado Metanol-Metanol para su aplicación en redes de calor en el sector residencial. En España, se estima que este sistema es de gran interés para la calefacción de 458 municipios rurales analizados. Para aplicaciones industriales, se propone la conversión de metanol en DME a través de su paso intermedio a syngas, aplicable en el rango de temperaturas de recuperación de calor de industrias intensivas. Este concepto permite la co-producción de DME para su venta directa o la generación de electricidad en ciclo cerrado. Se proponen dos nuevas rutas para el almacenamiento termoquímico basado en metanol a DME, obteniendo un LCOE inferior a 270 €/MWh operando con un ciclo ORC recuperativo. La tesis aborda las principales reacciones de conversión del metanol hacia otros combustibles de interés, ya sea por su densidad energética, poder calorífico o su valor en la industria química. Alineados con la política energética europea y el paquete de medidas Objetivo 55, los sistemas propuestos hacen del metanol un vector energético estratégico, no sólo como portador de hidrógeno, sino capaz de ofrecer con sus enlaces químicos hasta más de 3500 horas de almacenamiento de energía solar al año en el sur de Europa, con costes un 45% inferiores a los de las sales fundidas y comparables con otras tecnologías implantadas (<150 €/MWh).
Tendencias del diseño emocional y afectivo. Evaluación de propiedades de diseño e identidad de producto de coches eléctricos y de combustión basada en seguimineto ocular y análisis conjunto
(2025-02-21) Núñez Romero, Raúl; Luque Sendra, Amalia; Córdoba-Roldán, Antonio; Ingeniería del Diseño
En los últimos años, el número de nuevos modelos de vehículos eléctricos (EV) se ha multiplicado, generando así una tendencia en el mercado. En los análisis de tendencias consultados sobre las actitudes de los usuarios en relación con los vehículos eléctricos, particularmente con los coches eléctricos, en ninguno el factor estético o de diseño aparece como motivación de compra, probablemente porque los coches eléctricos aún no han establecido una identidad propia que los defina. Por tanto, es de interés analizar aquellos atributos estéticos formales que pueden realzar la identidad de los vehículos eléctricos. Actualmente la transición al coche eléctrico está siendo paulatinamente aceptada por todos los usuarios, por lo que el diseño de estos productos ocupa un espacio destacado en el sector del diseño del automóvil. Asimismo, la experiencia de usuario es uno de los aspectos determinantes para la elección de un modelo. Este estudio propone un proceso dividido en cuatro fases. La primera fase comprende un análisis de antecedentes para definir el método y las técnicas con las que alcanzar los objetivos. Así mismo, se evalúa la evolución del discurso y el avance de la investigación en este ámbito hasta la actualidad mediante un análisis en profundidad de la producción científica mediante técnicas de bibliometría y análisis de las publicaciones obtenidas de Web Of Science. Se incluye un análisis detallado de las revisiones bibliográficas más relevantes sobre diseño emocional y afectivo, así como las principales publicaciones sobre análisis bibliométrico. Se evalúan palabras clave, fuentes, autores, citas, organizaciones, categorías y países utilizando diversas técnicas bibliométricas. En los resultados se obtienen clústeres de las categorías temáticas donde se refleja un cambio en la tendencia de las publicaciones. En segunda fase, se realiza un análisis de Eyetracking, mediante el cual se determina qué zonas de la imagen de un vehículo son más influyentes en la percepción del mismo como eléctrico o de combustión, y la identificación del tipo de vehículo mediante el análisis de mapas de calor, mapas de seguimiento y números y tiempos de fijación, entre otros datos. A través de esto, es posible desarrollar diseños óptimos alineados con la percepción del usuario. En la tercera fase se emplea el método de Análisis Conjunto para analizar las preferencias de los usuarios por los coches eléctricos y de combustión, buscando identificar qué propiedades estéticas y formales del frontal de un automóvil están asociadas a los vehículos eléctricos. Y en la cuarta fase, se toma de base la información obtenida en las fases previas para aplicar Ingeniería Kansei (IK). La raíz de la Ingeniería Kansei es el diseño emocional y afectivo. Y los conceptos de diseño emocional y afectivo se han destacado en los últimos años como una tendencia con un alto potencial de crecimiento, proponiendo un enfoque que estudia los estados afectivos que provocan los productos en las personas. Si se realiza un análisis de ciclo de vida del producto, se comprueba cómo, al considerar a la afectividad y las emociones, se puede apoyar al diseño sostenible. Con esta metodología se busca comprender y traducir las emociones y sensaciones de los usuarios en parámetros y característica diseño del vehículo eléctrico, y así contribuir a la identidad propia de estos vehículos, y que su aceptación en el mercado siga en aumento. Además, asociado a la obtención de información de los usuarios en las diferentes fases, se realizan test de usuario con cuestiones sociodemográficas con el fin de segmentar la población y comprobar mediante Análisis de Varianza (ANOVAs) que existen diferencias significativas en la percepción sobre los vehículos eléctricos y obtener información complementaria sobre las propiedades estético-formales y las diferentes características sociodemográficas de los usuarios.
Diseño, fabricación y validación de una mesa de actividades colaborativa para niños con trastorno del espectro autista
(2025-01-30) Cañete Yaque, Raquel; Peralta-Álvarez, María Estela; Torres Hernández, Yadir; Ingeniería del Diseño; Ingeniería y Ciencia de los Materiales y del Transporte
Esta Tesis Doctoral diseña y desarrolla un juguete interactivo en forma de mesa de actividades colaborativa para niños con Trastorno del Espectro Autista, con el objetivo de ayudar a estos niños a desarrollar sus habilidades sociales y de colaboración. El mercado actual está evolucionando a la comercialización de productos centrados en entornos virtuales y aplicaciones móviles, como resultado de las tendencias hacia la digitalización en el ámbito de la investigación, así como el alto precio de los robots y otros productos tecnológicos. El sector digital proporciona una mayor oferta y a menor precio. Sin embargo, la inclusión de elementos tangibles hace una interfaz más intuitiva, además de proporcionar una estimulación táctil al usuario que puede ser de gran utilidad para aumentar el interés de los niños por un producto. Esto resalta la importancia del proceso de selección de materiales y procesos de fabricación, los cuales cobran aún más importancia para niños con autismo, ya que éstos interactúan con el entorno de manera diferente. Así, esta Tesis Doctoral pretende determinar cuáles son los mejores materiales y procesos de fabricación a emplear en juguetes destinados a niños con autismo a partir de la identificación de una serie de parámetros de diseño sensorial para estos usuarios. Todos estos análisis sientan los principios de diseño para la mesa de actividades para el perfil hipersensible. De esta forma, esta Tesis Doctoral presenta el proceso de diseño, desde el análisis del problema hasta las fases de prototipado y validación del producto. Se lleva a cabo una prueba realizada a 4 niños con desarrollo típico, de la cual se obtienen unos buenos resultados que demuestran el potencial de este producto para mejorar las habilidades sociales y de colaboración. Además, se obtuvieron una serie de limitaciones que sirven como base para realizar el rediseño interactivo presentado como pieza final de este trabajo.
Ingeniería de características para clasificación de señales sonoras
(2021-01-22) Gómez Bellido, Jesús; Luque Sendra, Amalia; Carrasco Muñoz, Alejandro; Ingeniería del Diseño
La clasificación de señales sonoras es un área en el que existe una gran actividad investigadora, con aplicaciones muy diversas en numerosos campos de la ciencia y la ingeniería. Estas aplicaciones incluyen, entre sus primeros pasos, la necesidad de representar el sonido mediante un conjunto de características (denominadas también parámetros, variables, rasgos o características). Al conjunto de técnicas que permiten pasar de los datos en bruto a las características más adecuadas para su tratamiento posterior se le conoce comúnmente como ingeniería de características. Por otro lado, el procesamiento y la clasificación de los cantos de anuros han atraído la atención de la comunidad científica, tanto desde un punto de vista biológico, cuanto como indicadores del cambio climático. La presente tesis por compendio recoge los trabajos de investigación realizados por el autor en el campo de la ingeniería de características para la mejora en la clasificación de sonidos correspondientes a diferentes cantos de anuros. El documento hunde sus raíces en los trabajos liderados por el Dr. Julio Barbancho para el despliegue de redes de sensores en el entorno de la monitorización medioambiental, así como el posterior tratamiento de los datos obtenidos. En relación al procesamiento de cantos de anuros, el punto de partida es el desarrollo de unos clasificadores simples basados en parámetros MPEG-7. A partir de estos antecedentes se ponen en marcha dos líneas de trabajo lideradas por los directores de esta tesis. La primera línea caracteriza los cantos de anuros mediante parámetros MPEG-7 y trata de explorar distintos algoritmos de clasificación incluyendo técnicas no secuenciales, técnicas que consideran la secuencialidad de los sonidos y técnicas de clasificación de series de puntuaciones. Esta primera línea ha sido desarrollada en forma de tesis doctoral por el Dr. Javier Romero Lemos, y antecede lógica y cronológicamente a la investigación que se detalla en este documento. La segunda línea, que es el objeto de la presente tesis, se centra en los parámetros utilizados para caracterizar los cantos de anuros, sin considerar nuevas mejoras sobre los algoritmos de clasificación. Los trabajos se pueden agrupar en tres categorías, correspondientes a cada una de las tres publicaciones principales que avalan esta tesis: Comparación de alternativas en la caracterización de cantos de anuros. Determinación de los valores óptimos de dicha caracterización. Análisis del papel que juega la simetría de las transformaciones integrales (transformada de Fourier y transformada coseno) en la caracterización de sonidos basada en coeficientes cepstrales \cite{luque2019exploiting}. Análisis del esfuerzo computacional requerido en las distintas etapas del proceso de caracterización y clasificación de cantos de anuros.
Estudio histórico-técnico de los molinos hidráulicos de Alcalá de Guadaíra
(2015-11-12) Sánchez Jiménez, Francisco Javier; González Pérez, José Ángel; Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería; Ingeniería del Diseño
El objetivo inicial del presente trabajo de investigación es el estudio desde el punto de vista histórico y, fundamentalmente, desde el punto de vista técnico del conjunto de ingenios que han supuesto a lo largo de los últimos siglos los molinos hidráulicos instalados en el término municipal de Alcalá de Guadaíra (Sevilla), que por su número –40 a principios del siglo XVIII– lo hacen un caso único en Andalucía y, posiblemente, en toda la Península Ibérica. Para llegar a entender su funcionamiento, este trabajo se ha centrado, en primer lugar, en descubrir, a través del análisis de las referencias bibliográficas consultadas, la evolución técnica de la maquinaria utilizada desde la aparición de los primeros molinos de grano hidráulicos en el siglo I a.C. hasta, prácticamente, nuestros días. En el caso concreto de los molinos hidráulicos alcalareños, además de recoger la evolución histórica de cada uno de ellos, se ha pretendido, sobre todo, describir tecnológicamente su funcionamiento profundizando en las similitudes de este singular conjunto molinar pero también analizar las diferencias encontradas entre los mismos, por su ubicación, sistema de suministro de agua, tecnología o producción. Para su estudio integral, además de un completo análisis documental de multitud de referencias sobre las que se ha sustentado este trabajo, se ha realizado un laborioso trabajo de campo que ha permitido la realización de un minucioso y exhaustivo inventario actualizado del estado en que se encuentran actualmente cada uno de estos ingenios hidráulicos, integrándolo en un Sistema de Información Geográfica (SIG). Además, se ha realizado un estudio tecnológico del sistema mecánico completo utilizado para llevar a cabo la molienda, recogiendo, en primer lugar, las ecuaciones que regulan la potencia hidráulica disponible para, posteriormente, analizar el comportamiento del flujo de agua en los dos sistemas característicos de suministro de agua a los molinos estudiados y terminar con el estudio del proceso de transferencia de energía cinética y potencial del chorro de agua en energía de rotación del sistema de molienda. La toma de datos realizada en el trabajo de campo, así como el estudio tecnológico e ingenieril realizado, nos ha servido para realizar la recuperación virtual de uno de estos ingenios utilizando modernas técnicas infográficas y aplicaciones de diseño asistido por ordenador, ya que la falta de recursos económicos, así como los problemas de inundabilidad en algunos casos o de falta de caudal en otros, no ha hecho posible realizar su recuperación física. La recuperación virtual de la maquinaria perdida y su integración con el modelado por ordenador del edificio y su entorno ha permitido la realización de videos virtuales para una mejor comprensión de su funcionamiento por el público en general. Así mismo, se ha implementado una aplicación de Realidad Aumentada con la que cualquier visitante puede integrar en su dispositivo móvil la realidad física que va a encontrar del estado actual del molino con la realidad virtual de la maquinaria generada mediante modelos 3D.
Modelización de edificios de viviendas para la verificación automática de requisitos formales asociados a las normas generales de construcción un desarrollo basado en los estándares IFC y UML
(2002) Almeida Santos, Inácio Fernando de Carvalho; Hernández Rodríguez, Francisco; Ingeniería del Diseño
Modelización de problemas de diseño en Ingeniería : solución mediante sistemas basados en el conocimiento
(1995) Bravo Aranda, Gabriel; Martín Navarro, Antonio F.; Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería; Ingeniería del Diseño
En esta tesis se propone una metodología para el análisis de sistemas para diseño basado en el conocimiento, que adopta un enfoque integrados de los aspectos valiosos de las metodologías de la ingeniería del software y la ingeniería del conocimiento. Asimismo, se define un esquema conceptual para la modelización del conocimiento del dominio que se b asa en conceptos generales, aplicables en distintos dominios y fases del diseño en ingeniería. Finalmente, se comprueba y valida la metodología y esquema conceptual propuestos a través del desarrollo de sistemas para la solución de problemas de diseño en diversos dominios
Modelización de información espacial mediante tecnología orientada a objetos
(1995) Hernández Rodríguez, Francisco; Martín Navarro, Antonio F.; Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería; Ingeniería del Diseño
Esta tesis presenta un marco conceptual, orientado a objetos, para modelar de forma uniforme la información espacial gestionada por diferentes ámbitos y disciplinas. En primer lugar, se abstraen y describen semánticamente los conceptos y aspectos básicos inherentes al ámbito de la información espacial. A partir de esta conceptualización de los aspec tos básicos, se establece una clasificación genérica de los objetivos espaciales, lo que permite definir un metamodelo de información espacial, que sirve como base para que cualquier usuario pueda construir el modelo de información específico de su dominio. Finalmente, se analiza la problemática asociada a la automatización del proceso de integración del modelo de información espacial en entornos específicos, y se desarrolla una aplicación que sirve como prototipo para validar el esquema propuesto.

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